WO1995017650A1 - Clamp-on-ultraschall-volumendurchfluss-messgerät - Google Patents

Clamp-on-ultraschall-volumendurchfluss-messgerät Download PDF

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WO1995017650A1
WO1995017650A1 PCT/EP1994/004160 EP9404160W WO9517650A1 WO 1995017650 A1 WO1995017650 A1 WO 1995017650A1 EP 9404160 W EP9404160 W EP 9404160W WO 9517650 A1 WO9517650 A1 WO 9517650A1
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ultrasonic
signal
ultrasound
pair
pipeline
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PCT/EP1994/004160
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Daniel Oldenziel
Marcel Griessmann
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Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Publication date
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    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7082—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using acoustic detecting arrangements

Definitions

  • the invention relates to clamp-on ultrasound
  • Volume flow measuring devices with at least one pair of ultrasonic transducers, one of which is operated as a transmitter or as a receiver and which are arranged axially parallel on the outer wall along a pipe through which the fluid to be measured flows.
  • ultrasonic transducers operated as transmitters or receivers, which are arranged opposite one another along a pipeline through which the fluid to be measured flows and offset in the direction of the axis thereof,
  • WO-A 88/08516 also describes a clamp-on ultrasound volume flow meter - with two operated as transmitters or receivers
  • Ultrasonic transducers along one of those to be measured Pipeline through which fluid flows are arranged opposite one another and offset in the direction of the axis thereof,
  • ultrasound transducers operated as transmitters or receivers, which are arranged along a pipe through which the fluid to be measured flows, on the outer wall of which is offset axially parallel on the outer wall thereof, and
  • the ultrasonic volume flow measuring device according to the aforementioned US-A 50 52 230 or the clamp-on ultrasonic volume flow measuring device according to the aforementioned WO-A 88/08516 are on the one hand only intended for fluids that do not contain any foreign bodies lead, and finally become inoperable with an increasing proportion of foreign bodies, since the ultrasound is scattered and / or absorbed in the fluid to such an extent that it no longer reaches the receiver with sufficient strength.
  • clamp-on ultrasound volume flow measuring devices according to the cited US Pat. No. 4,484,478 or US Pat. No. 4,598,593 or EP-A 446 023 are only intended for fluids with embedded foreign bodies. fail, however, if fluids without foreign bodies are to be measured.
  • the invention therefore consists in a clamp-on ultrasound volume flow meter
  • the axially parallel along a pipeline through which the fluid to be measured flows are displaced on its outer wall and are arranged at an angle other than 90 ° between the direction of the ultrasound they generate and the axis of the pipeline,
  • Pipeline on its outer wall offset axially parallel and arranged at an angle of less than / equal to 90 * between the direction of the ultrasound they generate and the axis of the pipeline, and with a driver / evaluation electronics,
  • Threshold value signal and an effective value signal are supplied, which is formed from a signal emitted in reception mode by one of the ultrasonic transducers of the first pair after its integration.
  • one ultrasonic transducer of the first pair and one of the second pair are combined to form a pair of composite ultrasonic transducers.
  • a start signal proportional to the outer circumference of the pipe and a sound speed signal proportional to the speed of sound in the material of the pipe are supplied and - Which determines the wall thickness of the pipeline and the speed of sound in the fluid from the two orthogonal running times, the circumferential signal and the speed of sound signal.
  • the output signal of an effective value stage or the output signal of a rectifier or the output signal of a peak / peak detector can be used as the fluctuation signal.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the mechanical part of a clamp-on ultrasound volume flow measuring device
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the mechanical part of a further development of the clamp-on ultrasound volume flow measuring device according to FIG. 1,
  • Fig. 3 shows the mechanical part of the arrangement of Fig. 1 together with a detailed block diagram of an operating circuit of the clamp-on ultrasonic volume flow meter of the invention
  • FIG. 4 shows the mechanical part of the arrangement according to FIG. 2 together with a block diagram of an operating circuit compressed to the essential functional blocks.
  • a first pair of ultrasonic transducers 2, 3 are axially parallel along a pipe 1 through which the fluid to be measured flows in the direction of arrow R on the outer wall staggered.
  • This pair of ultrasonic transducers can be operated in two ways.
  • both ultrasonic transducers 2, 3 can be operated briefly as transmit transducers and then as receive transducers, which means that measurements are simultaneously taken in the direction of the fluid flow and in the opposite direction.
  • a second pair of ultrasound transducers 4, 5 is provided, each of which is operated simultaneously as a transmitter transducer or as a receiving transducer and which is also offset axially parallel along the pipeline on its outer wall, but at an angle of 90 ° between the direction of the ultrasound they generate and the axis of the pipeline are arranged.
  • the aforementioned angle of the ultrasonic transducers 2, 3 of the first pair which deviates from 90 °, results from their wedge-shaped construction, the openings of the respective wedge angle facing each other.
  • the wedge-shaped structure is achieved in that between the pipeline 1 and the ultrasound surface 21 or 31 a wedge made of sound-conducting material is attached.
  • the mentioned angle of 90 ° of the ultrasonic transducers 4, 5 of the second pair is currently the best embodiment, applications cannot be ruled out in which this angle should be made less than 90 °.
  • the ultrasound transducers 4, 5 of the second pair then have a wedge-shaped structure that is comparable to that of the first pair.
  • the wedge shape of the ultrasonic transducers 2, 3 has the consequence that the ultrasound emitted, for example, by the ultrasonic transducer 2, at an angle deviating from 90 °, onto the inner wall of the pipeline 1 opposite the ultrasonic transducers 2, 3 hits and is reflected there in the direction of the ultrasonic transducer 3.
  • the mutual distance s of the ultrasonic transducers 2, 3 is selected so that the ultrasound reflected on the inner wall of the pipeline 1 reaches the receiver ultrasonic transducer as completely as possible.
  • the above-mentioned angle of 90 ° results in the ultrasonic transducers 4, 5 of the second pair in that they are in turn arranged on the outer wall of the pipeline 1 with their ultrasonic generation surface 41, 51 without the interposition of a wedge.
  • the ultrasound propagates through the fluid practically perpendicularly and orthogonally to the axial direction of the pipeline 1 and is reflected on its opposite inner wall toward the transmitter transducer.
  • FIG. 2 shows, in the same graphic representation as FIG. 1, a further development of the arrangement from FIG. 1, namely one each .
  • Ultrasound transducers of the first pair namely the ultrasound transducers 2, 4, and one ultrasound transducer of the second pair, namely the ultrasound transducers 3, 5, are combined to form a pair of composite ultrasound transducers 6, 7.
  • the composite ultrasound transducer 6 or 7 contains the wedge-shaped ultrasound transducer 2 'or 3' and the non-wedge-shaped ultrasound transducer 4 'or 5'.
  • Ultrasonic transducer is attached to the outer wall of the pipeline 1, the ultrasound of which propagates through the fluid practically perpendicular to the axial direction of the pipeline 1 and is reflected toward the opposite inner wall thereof.
  • Fig. 2 important distances are also shown, namely the wall thickness d of the pipeline 1, its inner diameter D, the distance A from the respective center of the ultrasonic transducers 4 ', 5', which also defines the distance between the ultrasonic transducers 2 ', 3'.
  • FIG. 3 shows the mechanical part of the arrangement of FIG. 1 together with a block diagram in which essential functional blocks of a driver / evaluation electronics are shown.
  • the adjustability of the burst generator 9 with regard to its pulse-pause ratio v and the frequency f b mentioned is symbolized by correspondingly labeled inputs on the burst generator 9.
  • the output signal of the burst generator 9 is fed to a crossover switch 10 which, as described in the above-mentioned US Pat. No. 5,052,230, allows the ultrasonic transducers 2, 3 to work alternately as transmit and receive transducers.
  • the switching is controlled by a runtime electronics 11, as can also be found in this US-A 50 52 230.
  • the transit time electronics 11 consecutively feed only one ultrasonic transducer 2 or 3 of the first pair with a pulse burst and measure the transit time from between the
  • Ultrasonic transducers 2 and 3 in the forward flow direction or between the ultrasonic transducers 3 and 2 in the backward flow direction of the fluid which propagate through it and are reflected on the inner wall of the pipeline 1 which is opposite the ultrasonic transducers 2, 3 and determine the volume flow therefrom.
  • the transit time electronics 11 briefly feeds both ultrasound transducers 2, 3 with the pulse burst, which are thus simultaneously the transmission transducers. Subsequently, when the ultrasonic transducers 2, 3 are receiving transducers, the transit time electronics 11 measures the transit time of between the ultrasonic transducers 2 and 3 in the forward flow direction and between the ultrasonic transducers 3 and 2 in the backward flow direction of the fluid propagating through it and on the inner wall of the pipeline 1 opposite the ultrasonic transducers 2, 3 and reflects ultrasound signals therefrom and determines the volume flow.
  • the runtime electronics 11 thus emits a signal representing the volume flow at its output 111 in both operating modes, for example on a display and / or as a suitable electrical signal, such as a current signal of 4 mA to 20 mA assigned to the respective measuring range.
  • the switching electronics 13 of FIG. 3 contains an electronic switch 130, the control input of which is connected to the output of a threshold switch 131. This is supplied with a threshold value signal th that determines its switching threshold and is adjustable by the user, and a fluctuation signal signal rms. This signal is formed by means of an effective value stage 132 from a signal emitted in reception mode by one of the ultrasound transducers 2, 3 of the first pair after its integration.
  • An integrator 133 which e.g. can be a sample-and-hold stage, the input of which is connected to one of the outputs of the cross switch 10.
  • a rectifier or a peak-to-peak detector can also be used, the respective output signal of which is then the corresponding fluctuation signal.
  • An input of correlation electronics 12 is connected to the output of the burst generator 9 and thus feeds the ultrasonic transducers 4, 5 of the second pair simultaneously with the pulse burst.
  • the threshold value signal th the portion of foreign bodies of the fluid can be specified or set by the user at which it is desired to switch from the transit time measurement to the correlation measurement.
  • Correlation electronics 12 thus emits a signal representing volume flow at its output 121 - just like the runtime electronics at output 111 - e.g. on a display and / or as a suitable electrical signal, e.g. a current signal of 4 mA to 20 mA assigned to the respective measuring range.
  • a suitable electrical signal e.g. a current signal of 4 mA to 20 mA assigned to the respective measuring range.
  • the electronic switch 130 of the switchover electronics 13 switches on either the runtime electronics 11 or the correlation electronics 12 and thus the driver / evaluation electronics either in the runtime or the correlation mode.
  • FIG. 4 shows the mechanical part of the arrangement according to FIG. 2 together with a block diagram of a driver / evaluation electronics compressed to the essential functional blocks. It contains runtime electronics 11 ', correlation electronics 12', changeover electronics 13 'and additional electronics 14. The runtime electronics 11' contains the burst generator 9 and the crossover switch 10 for the sake of clarity Fig. 3.
  • the additional electronics 14 serve to determine the speed of sound of the fluid, also to determine the lumen, that is to say the inside diameter D, and to determine the wall thickness d of a real pipeline 1, if this is already installed on site in a closed system, for example the latter two sizes without Intervention in this pipeline can no longer be measured.
  • a clamp-on additional ultrasound transducer 8 can be used, which sends ultrasound signals perpendicular to the axis of the pipeline 1 in accordance with pulse bursts supplied to it and receives reflection signals during the pauses in transmission, specifically reflection signals that are on both the inner wall of the tube directly below it Pipeline as well as occur on the opposite inner wall separated by the fluid.
  • the clamp-on additional ultrasonic transducer 8 one of the ultrasonic transducers of the second pair can also be used for the measurement together with the additional electronics.
  • the additional electronics 14 thus measure the orthogonal transit time of the ultrasonic signal in the wall of the pipeline and the orthogonal transit time of the ultrasound signal which propagates through the fluid and is reflected on the inner wall of the pipeline opposite the additional ultrasonic transducer 8.
  • signals proportional to these variables i.e. a speed of sound signal c and a circumferential signal u, can be sent to corresponding inputs the additional electronics 14 can be specified.
  • the additional electronics 14 determines the wall thickness d of the pipeline 1 from the two orthogonal transit times, from the speed of sound signal c and from the circumferential signal u and shows it e.g. on a display. This value is then used when clamping on the
  • Ultrasonic transducers 2, 3 of the first pair with regard to their mutual distance s is taken into account.
  • the speed of sound of the fluid is also shown on the display.
  • Clamp-on ultrasonic volume flow measuring devices are suitable for measurements at Reynolds numbers greater than 10,000, in particular on pipelines with nominal widths greater than 200 mm.

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Abstract

Damit dieses Messgerät automatisch in Abhängigkeit von einem wählbaren Fremdkörperanteil des Fluids entweder nach dem einen oder nach dem anderen Messprinzip arbeitet, hat es ein erstes Paar Ultraschallwandler (2, 3), von denen jeweils der eine als Sendewandler und der andere als Empfangswandler oder umgekehrt betrieben ist und die längs einer durchströmten Rohrleitung (1) auf deren Aussenwand achsparallel versetzt und mit einem von 90 DEG abweichenden Winkel zwischen der Ultraschall-Richtung und der Rohrachse angeordnet sind. Es ist ein zweites Paar Ultraschallwandler (4, 5) vorgesehen, von denen jeder gleichzeitig als Sendewandler oder als Empfangswandler betrieben ist und die längs der Rohrleitung (1) auf deren Aussenwand achsparallel versetzt und mit einem Winkel </= 90 DEG zwischen der Ultraschall-Richtung und der Rohrachse angeordnet sind. Eine Treiber/Auswerte-Elektronik speist entweder nacheinander immer nur einen Ultraschallwandler (2 bzw. 3) mit einem Impuls-Burst und misst die Laufzeit in Vorwärts- und Rückwärts-Flussrichtung der durch das Fluid hindurch sich ausbreitenden und gegenüber reflektierten Ultraschallsignale und bestimmt daraus den Volumendurchfluss oder speist die Ultraschallwandler (4, 5) gleichzeitig mit dem Impuls-Burst und misst die aus innerhalb des Fluids an darin vorhandenen Fremdkörpern reflektierten und von diesen Ultraschallwandlern empfangenen Reflexionssignalen durch Korrelation deren Zeitdifferenz und bestimmt daraus den Volumendurchfluss. Eine Umschalt-Elektronik (13) mit einem Schwellwertschalter (131) schaltet in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Schwellwertschalters die Treiber/Auswerte-Elektronik in die Laufzeit- oder die Korrelations-Betriebsart.

Description

Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät
Die Erfindung betrifft Clamp-on-Ultraschall-
Volumendurchfluß-Meßgeräte mit mindestens einem Paar Ultraschallwandlern, von denen einer als Sender oder als Empfänger betriebenen ist und die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung achsparallel versetzt auf deren Außenwand angeordnet sind.
In der eigenen US-A 50 52 230 ist ein Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät beschrieben
- mit zwei als Sender oder Empfänger betriebenen Ultraschallwandlern, die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung gegenüberliegend und in Richtung von deren Achse gegeneinander versetzt angeordnet sind,
- und mit einer Treiber/Auswerte-Elektronik, die — nacheinander immer nur einen der Ultraschallwandler mit einem Sinussignal-Burst speist und die Laufzeit von zwischen den Ultraschallwandlern in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch das Fluid hindurch sich vom einem zum anderen Ultraschallwandler ausbreitenden Ultraschallsignalen mißt und daraus den Volumendurchfluß bestimmt.
In der WO-A 88/08516 ist ferner ein Clamp-on-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät beschrieben - mit zwei als Sender oder Empfänger betriebenen
Ultraschallwandlern, die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung gegenüberliegend und in Richtung von deren Achse gegeneinander versetzt angeordnet sind,
- mit einem ersten Zusatzwandler, - mit einem zweiten Zusatzwandler,
- mit einer Treiber/Auswerte-Elektronik, die
- nacheinander immer nur einen der Ultraschallwandler mit einem Sinussignal-Burst speist und die Laufzeit von zwischen den Ultraschallwandlern in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch das Fluid hindurch sich vom einem zum anderen Ultraschallwandler ausbreitenden Ultraschallsignalen mißt und daraus den Volumendurchfluß bestimmt, und
- mit einer Zusatz-Elektronik, — die senkrecht zur Achse der Rohrleitung mittels des ersten Zusatzwandlers die Orthogonal-Laufzeit des Ultraschallsignals in der Wand der Rohrleitung und die mittels des zweiten Zusatzwandlers die Orthogonal- Laufzeit der durch das Fluid sich ausbreitenden und an der diesem Zusatz-Ultraschallwandler gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignals mißt.
In der US-A 44 84 478, in der US-A 45 98 593 und in der EP-A 446 023 ist ferner jeweils ein Clamp-on-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät beschrieben
- mit mindestens zwei als Sender oder Empfänger betriebenen Ultraschallwandlern, die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung auf deren Außenwand achsparallel versetzt auf deren Außenwand angeordnet sind, und
- mit einer Treiber/Auswerte-Elektronik,
- die die mindestens zwei Ultraschallwandler gleichzeitig mit einem Impuls-Burst speist und die aus innerhalb des Fluids an darin vorhandenen Fremdkörpern reflektierten und von den mindestens zwei Ultraschallwandlern in den Pausen zwischen den Impuls-Bursts empfangenen Reflexionssignalen mittels Korrelation die Zeitdifferenz zwischen den Reflexionssignalen mißt und daraus den Volumendurchfluß bestimmt.
Das Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgeräte nach der genannten US-A 50 52 230 bzw. das Clamp-on-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät nach der genannten WO-A 88/08516 sind einerseits an sich nur für Fluide gedacht, die keine Fremdkörper mit sich führen, und werden bei zunehmendem Fremdkörperanteil schließlich betriebsunfähig, da der Ultraschall im Fluid so stark gestreut und/oder absorbiert wird, daß er nicht mehr in ausreichender Stärke zum Empfänger gelangt.
Die Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgeräte nach der genannten US-A 44 84 478 bzw. der genannten US-A 45 98 593 bzw. der genannten EP-A 446 023 sind andererseits an sich nur für Fluide mit eingelagerten Fremdkörpern gedacht, versagen jedoch, wenn fremdkörperlose Fluide gemessen werden sollen.
In praxi kann aber einerseits bei an sich fremdkörperfreien Fluiden nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, daß nicht doch einmal Fremdkörper im Fluid auftreten, die die Messung stören oder sogar unterbinden, und andererseits kann bei an sich fremdkörper-haltigen Fluiden nicht sicher ausgeschlossen werden, daß das Fluid nicht doch einmal fremdkörperfrei strömt, dessen Messung dann ebenfalls gestört oder sogar unterbunden wird.
Ein Ziel der Erfindung ist es daher, die beiden erwähnten, je für sich beschriebenen Meßprinzipien in einem Clamp-on- Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät so miteinander zu vereinigen, daß das Meßgerät automatisch in Abhängigkeit von einem vom Benutzer einstellbaren Fremdkörperanteil des Fluids entweder nach dem einen oder nach dem anderen Meßprinzip arbeitet.
Die Erfindung besteht daher in einem Clamp-on-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät
— mit einem ersten Paar Ultraschallwandler,
— von denen entweder jeweils der eine als Sendewandler und der andere als Empfangswandler bzw. umgekehrt betrieben ist — oder die beide kurzzeitig als Sendewandler und anschließend als Empfangswandler betrieben sind und
— die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung auf deren Außenwand achsparallel versetzt und mit einem von 90° abweichenden Winkel zwischen der Richtung des von ihnen erzeugten Ultraschalls und der Achse der Rohrleitung angeordnet sind,
— mit einem zweiten Paar Ultraschallwandler, von denen jeder gleichzeitig als Sendewandler oder als Empfangswandler betrieben ist und die längs der
Rohrleitung auf deren Außenwand achsparallel versetzt und mit einem Winkel von kleiner/gleich 90* zwischen der Richtung des von ihnen erzeugten Ultraschalls und der Achse der Rohrleitung angeordnet sind, - und mit einer Treiber/Auswerte-Elektronik,
— die entweder einen bzw. die Ultraschallwandler des ersten Paars mit einem Impuls-Burst speist und die Laufzeit von zwischen diesen Ultraschallwandlern in Vorwärts- und Rückwärts-Flußrichtung durch das Fluid hindurch sich ausbreitenden und an der diesen
Ultraschallwandlern gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignalen mißt und daraus den Volumendurchfluß bestimmt (= Laufzeit- Elektronik) — oder die Ultraschallwandler des zweiten Paars gleichzeitig mit dem Impuls-Burst speist und die aus innerhalb des Fluids an darin vorhandenen Fremdkörpern reflektierten und von diesen Ultraschallwandlern in den Pausen zwischen den Impuls-Bursts empfangenen Reflexionssignalen durch Korrelations deren Zeitdifferenz mißt sowie daraus den Volumendurchfluß bestimmt (= Korrelations-Elektronik) und
— die eine Umschalt-Elektronik mit einem Schwellwertschalter enthält, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Schwellwertsσhalters die Laufzeit-Elektronik oder die Korrelations- Elektronik einschaltet und welchem Sσhwellwertschalter ein einstellbares
Schwellwert-Signal und ein Effektivwert-Signal zugeführt sind, das aus einem in Empfangsbetrieb von einem der Ultraschallwandler des ersten Paars abgegebenen Signal nach dessen Integration gebildet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind je ein Ultraschallwandler des ersten Paars und des zweiten Paars zu einem Paar von Verbund-Ultraschallwandlern vereinigt.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind ein Clamp-on-Zusatz-Ultraschallwandler und eine Zusatz- Elektronik vorgesehen,
— die jeweils senkrecht zur Achse der Rohrleitung die Orthogonal-Laufzeit des Ultraschallsignals in der Wand der Rohrleitung und die Orthogonal-Laufzeit der durch das Fluid sich ausbreitenden und an der dem Zusatz- Ultraschallwandler gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignals mißt,
— der ein dem Außenumfang der Rohrleitung proportionales U fangssignal und ein der Schallgeschwindigkeit im Material der Rohrleitung proportionales Schallgeschwindigkeitssignal zugeführt sind und - die aus den beiden Orthogonal-LaufZeiten, aus dem Umfangssignal und dem Schallgeschwindigkeitssignal die Wandstärke der Rohrleitung und die Schallgeschwindigkeit im Fluid bestimmt.
In Ausgestaltung der Erfindung kann als Schwankungssignal das Ausgangssignal einer Effektivwert-Stufe oder das Ausgangssignal eines Gleichrichters oder das Ausgangssignal eines Spitze/Spitze-Detektors dienen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren Figuren schematisch der mechanische Teil und Blockschaltbilder von Betriebsschaltungen des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips gezeigt und gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Fig. 1 zeigt in schematisierter Schnittansicht den mechanischen Teil eines Clamp-on-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgeräts,
Fig. 2 zeigt in schematisierter Schnittansicht den mechanischen Teil einer Weiterbildung des Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß- Meßgeräts nach Fig. 1,
Fig. 3 zeigt den mechanischen Teil der Anordnung nach Fig. 1 zusammen mit einem ausführlichen Blockschaltbild einer Betriebsschaltung des Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgeräts der Erfindung, und
Fig. 4 zeigt den mechanischen Teil der Anordnung nach Fig. 2 zusammen mit einem auf die wesentlichen Funktionsblöcke komprimierten Blockschaltbild einer Betriebsschaltung. In der in Fig. l stark schematisiert gezeigten Schnittansicht des mechanischen Teils eines Clamp-on- Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgeräts ist längs einer von dem zu messenden Fluid in Richtung des Pfeiles R durchströmten Rohrleitung 1 auf deren Außenwand ein erstes Paar Ultraschallwandler 2, 3 achsparallel versetzt angeordnet.
Dieses Paar Ultraschallwandler kann auf zweierlei Weise betrieben werden. Zum einen kann abwechselnd der eine als Sendewandler bzw. der andere als Empfangswandler betrieben werden, so daß entweder der Ultraschallwandler 2 als Sende- und der Ultraschallwandler 3 als Empfangswandler oder der Ultraschallwandler 3 als Sende- und der Ultraschallwandler 2 als Empfangswandler wirken, wodurch aufeinanderfolgend entweder in Richtung der Strömung des Fluids oder in Gegenrichtung gemessen wird. Zum anderen können beide Ultraschallwandler 2, 3 kurzzeitig als Sendewandler und anschließend als Empfangswandler betrieben werden, wodurch gleichzeitig in Richtung der Strömung des Fluids und in Gegenrichtung gemessen wird.
Ferner ist ein zweites Paar Ultraschallwandler 4, 5 vorgesehen, von denen jeder gleichzeitig als Sendewandler oder als Empfangswandler betrieben ist und die längs der Rohrleitung ebenfalls auf deren Außenwand achsparallel versetzt, allerdings mit einem Winkel von 90° zwischen der Richtung des von ihnen erzeugten Ultraschalls und der Achse der Rohrleitung angeordnet sind.
Der erwähnte, von 90° abweichende Winkel der Ultraschallwandler 2, 3 des ersten Paars ergibt sich durch ihren keilförmigen Aufbau, wobei die Öffnungen des jeweiligen Keilwinkels einander zugewandt sind. Der keilförmige Aufbau wird dadurch erreicht, daß zwischen der Rohrleitung 1 und der Ultraschall-Entstehungsfläche 21 bzw. 31 ein Keil aus schalleitendem Material angebracht ist.
Obwohl der erwähnte Winkel von 90° der Ultraschallwandler 4, 5 des zweiten Paars die derzeit beste Ausführungsform darstellt, sind Anwendungsfälle nicht ausschließbar, in denen dieser Winkel kleiner als 90° gemacht werden sollte. Es ergibt sich dann für die Ultraschallwandler 4, 5 des zweiten Paars ein mit denen des ersten Paars vergleichbarer keilförmiger Aufbau.
Wie in Fig.l anhand eines eingezeichneten Schallstrahls gezeigt ist, hat die Keilform der Ultraschallwandler 2, 3 zur Folge, daß der beispielsweise vom Ultraschallwandler 2 abgestrahlte Ultraschall unter einem von 90° abweichenden Winkel auf die den Ultraschallwandlern 2, 3 gegenüberliegende Innenwand der Rohrleitung 1 trifft und dort in Richtung auf den Ultraschallwandler 3 reflektiert wird. Der gegenseitige Abstand s der Ultraschallwandler 2, 3 ist so gewählt, daß der an der Innenwand der Rohrleitung 1 reflektierte Ultraschall möglichst vollständig zum Empfänger-Ultraschallwandler gelangt.
Der erwähnte Winkel von 90° ergibt sich bei den Ultraschallwandlern 4, 5 des zweiten Paars dadurch, daß sie mit ihrer Ultraschall-Entstehungsfläche 41, 51 ohne Zwischenlage eines Keils wiederum auf der Außenwand der Rohrleitung 1 angeordnet sind. Dadurch breitet sich der Ultraschall praktisch senkrecht und orthogonal zur Achsrichtung der Rohrleitung 1 durch das Fluid hindurch aus und wird an deren gegenüberliegenden Innenwand zum Sendewandler hin reflektiert.
Die Fig. 2 zeigt in der gleichen zeichnerischen Darstellungsweise wie Fig. 1 eine Weiterbildung der Anordnung von Fig. 1, und zwar sind je ein. Ultraschallwandler des ersten Paars, nämlich die Ultraschallwandler 2, 4, und je ein Ultraschallwandler des zweiten Paars, nämlich die Ultraschallwandler 3, 5, zu einem Paar von Verbund-Ultraschallwandlern 6, 7 vereinigt. Dabei enthält der Verbund-Ultraschallwandler 6 bzw. 7 den keilförmigen Ultraschallwandler 2' bzw. 3' und den nicht¬ keilförmigen Ultraschallwandler 4' bzw. 5'.
Ferner zeigt die Fig. 2 einen nicht-keilförmigen Zusatz- Ultraschallwandler 8, der wie die übrigen
Ultraschallwandler an der Außenwand der Rohrleitung 1 befestigt ist, dessen Ultraschall sich praktisch senkrecht zur Achsrichtung der Rohrleitung 1 durch das Fluid hindurch ausbreitet und an deren gegenüberliegender Innenwand zu ihm hin reflektiert wird.
In Fig. 2 sind ferner wichtige Abstände eingezeichnet, nämlich die Wandstärke d der Rohrleitung 1, deren Innendurchmesser D, der Abstand A der jeweiligen Mitte der Ultraschallwandler 4', 5', der auch den Abstand zwischen den Ultraschallwandler 2', 3' festlegt.
Die Fig. 3 zeigt den mechanischen Teil der Anordnung von Fig. 1 zusammen mit einem Blockschaltbild, in dem wesentliche Funktionsblöcke einer Treiber/Auswerte- Elektronik dargestellt sind. Ein Burst-Generator 9 erzeugt Impulsbursts, also innerhalb der Impulse einer virtuellen Rechteck-Hüllkurve mit vorgebbarem Puls-Pausen-Verhältnis v jeweils eine wählbare Anzahl n (n > 1) von hochfrequenten Impulsen, die z.B. eine Frequenz fb in der Größenordnung von 1 MHz haben können, während die Impulse der Rechteck- Hüllkurve z.B. eine Dauer von 10 μs haben können, also n=10 1-MHz-Impulse in jeden dieser Impulse passen. Die Einstellbarkeit des Burst-Generators 9 hinsichtlich seines Puls-Pausen-Verhältnisses v und der erwähnten Frequenz fb ist durch entsprechend bezeichnete Eingänge am Burst- Generator 9 symbolisiert.
Das Ausgangssignal des Burst-Generators 9 ist einem Überkreuzschalter 10 zugeführt, der, wie in der eingangs genannten US-A 50 52 230 beschrieben ist, die Ultraschallwandler 2, 3 abwechselnd als Sende- bzw. Empfangswandler arbeiten läßt. Das Umschalten wird von einer Laufzeit-Elektronik 11 gesteuert, wie sie dieser US-A 50 52 230 ebenfalls zu entnehmen ist.
In dieser oben bereits erwähnten einen Betriebsart speist die Laufzeit-Elektronik 11 nacheinander immer nur einen Ultraschallwandler 2 bzw. 3 des ersten Paars mit einem Impuls-Burst und mißt die Laufzeit von zwischen den
Ultraschallwandlern 2 und 3 in Vorwärts-Flußrichtung bzw. zwischen den Ultraschallwandlern 3 und 2 in Rückwärts- Flußrichtung des Fluids durch es hindurch sich ausbreitenden und an der den Ultraschallwandlern 2, 3 gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung 1 reflektierten Ultraschallsignalen und bestimmt daraus den Volumendurchfluß.
In der oben erwähnten anderen Betriebsart speist die Laufzeit-Elektronik 11 beide Ultraschallwandler 2, 3 kurzzeitig mit dem Impuls-Burst, die somit gleichzeitig Sendewandler sind. Anschließend, wenn die Ultraschallwandler 2, 3 Empfangswandler sind, mißt die Laufzeit-Elektronik 11 die Laufzeit von zwischen den Ultraschallwandlern 2 und 3 in Vorwärts-Flußrichtung bzw. zwischen den Ultraschallwandlern 3 und 2 in Rückwärts- Flußrichtung des Fluids durch es hindurch sich ausbreitenden und an der den Ultraschallwandlern 2, 3 gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung l reflektierten Ultraschalisignalen und bestimmt daraus den Volumendurchfluß. Die Laufzeit-Elektronik 11 gibt somit in beiden Betriebsarten an ihrem Ausgang 111 ein den Volumen- Durchfluß repräsentierendes Signal ab, z.B. auf einem Display und/oder als geeignetes elektrisches Signal, wie z.B. ein dem jeweiligen Meßbereich zugeordnetes Stromsignal von 4 mA bis 20 mA.
Die Umschalt-Elektronik 13 von Fig. 3 enthält einen elektronischen Umschalter 130, dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Schwellwertschalters 131 verbunden ist. Diesem ist ein seine Schaltschwelle bestimmendes, vom Benutzer einstellbares Schwellwert-Signal th und ein Schwankungssignal-Signal rms zugeführt. Dieses Signal wird mittels einer Effektivwert-Stufe 132 aus einem in Empfangsbetrieb von einem der Ultraschallwandler 2, 3 des ersten Paars abgegebenen Signal nach dessen Integration gebildet. Hierzu dient ein Integrator 133, der z.B. eine Sample-and-Hold-Stufe sein kann, dessen Eingang mit einem der Ausgänge des Überkreuzschalters 10 verbunden ist.
Anstatt der Effektivwert-Stufe 132 kann auch ein Gleichrichter oder ein Spitze-Spitze-Detektor verwendet werden, deren jeweiliges Ausgangssignal dann das entsprechende Schwankungssignal ist.
Ein Eingang einer Korrelations-Elektronik 12 ist mit dem Ausgang des Burst-Generators 9 verbunden und speist somit die Ultraschallwandler 4, 5 des zweiten Paars gleichzeitig mit dem Impuls-Burst. Die Korrelations-Elektronik 12 mißt, wie dies in der eingangs genannten US-A 44 84 478 beschrieben ist, aus innerhalb des Fluids an darin vorhandenen Fremdkörpern reflektierten und von den Ultraschallwandlern 4, 5 des zweiten Paars in den Pausen zwischen den Impuls-Bursts empfangenen Reflexionssignalen durch Korrelation, insb. durch Kreuzkorrelation, deren Zeitdifferenz und bestimmt daraus den Volumendurchfluß. Mit dem oben erwähnten Schwellwert-Signal th kann vom Benutzer derjenige Anteil an Fremdkörpern des Fluids vorgegeben bzw. eingestellt werden, bei dem von der Laufzeitmessung auf die Korrelationsmessung umgeschaltet werden soll.
Die Korrelations-Elektronik 12 gibt somit an ihrem Ausgang 121 - ebenfalls wie die Laufzeit-Elektronik an deren Ausgang 111 - ein den Volumen-Durchfluß repräsentierendes Signal ab, z.B. auf einem Display und/oder als geeignetes elektrisches Signal, wie z.B. ein dem jeweiligen Meßbereich zugeordnetes Stromsignal von 4 mA bis 20 mA.
Der elektronische Umschalter 130 der Umschalt-Elektronik 13 schaltet entweder die Laufzeit-Elektronik 11 oder die Korrelations-Elektronik 12 ein und somit die Treiber/ Auswerte-Elektronik entweder in die Laufzeit- oder die Korrelations-Betriebsart.
In Fig. 4 ist der mechanische Teil der Anordnung nach Fig. 2 zusammen mit einem auf die wesentlichen Funktionsblöcke komprimierten Blockschaltbild einer Treiber/Auswerte-Elektronik gezeigt. Es enthält eine Laufzeit-Elektronik 11', eine Korrelations-Elektronik 12', eine Umschalt-Elektronik 13' und eine Zusatz-Elektronik 14. Die Laufzeit-Elektronik 11' enthält der zeichnerischen Übersichtlichkeit wegen den Burst-Generator 9 und den Überkreuzschalter 10 nach Fig. 3.
Die Zusatz-Elektronik 14 dient der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Fluids, ferner der Bestimmung des Lumens, also des Innendurchmessers D, und der Bestimmung der Wandstärke d einer realen Rohrleitung 1, wenn diese z.B. bereits vor Ort in einem geschlossenen System installiert ist, so daß die letzteren beiden Größen ohne Eingriff in diese Rohrleitung nicht mehr ausgemessen werden können.
Hierzu kann ein Clamp-on-Zusatz-Ultraschallwandler 8 dienen, der senkrecht zur Achse der Rohrleitung 1 entsprechend ihm zugeführten Impuls-Bursts Ultraschallsignale sendet und in den Sendepausen Reflexionssignale empfängt, und zwar Reflexionssignale, die sowohl an der direkt unterhalb von ihm liegenden Innenwand der Rohrleitung als auch an der durch das Fluid getrennten gegenüberliegenden Innenwand auftreten. Anstelle des Clamp- on-Zusatz-Ultraschallwandlers 8 kann auch einer der Ultraschallwandler des zweiten Paares für die Messung zusammen mit der Zusatz-Elektronik verwendet werden.
Die Zusatz-Elektronik 14 mißt somit die Orthogonal-Laufzeit des Ultraschallsignals in der Wand der Rohrleitung und die Orthogonal-Laufzeit des durch das Fluid sich ausbreitenden und an der dem Zusatz-Ultraschallwandler 8 gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignals.
Da das Material, aus der die reale Rohrleitung besteht, und somit die Schallgeschwindigkeit in diesem Material bekannt ist und der Außenumfang der realen Rohrleitung vor Ort gemessen werden kann, können diesen Größen proportionale Signale, also ein Schallgeschwindigkeitssignal c und ein Umfangssignal u, an entsprechenden Eingängen der Zusatz- Elektronik 14 vorgegeben werden.
Aus den beiden Orthogonal-Laufzeiten, aus dem Schallgeschwindigkeitssignal c und aus dem Umfangssignal u bestimmt die Zusatz-Elektronik 14 die Wandstärke d der Rohrleitung 1 und zeigt sie z.B. auf einem Display an. Dieser Wert wird dann beim Clamping-on der
Ultraschallwandler 2, 3 des ersten Paars hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstands s berücksichtigt. Auf dem Display wird ferner die Schallgeschwindigkeit des Fluids angezeigt.
Clamp-on-Ultraschall-Volumendurσhfluß-Meßgeräte nach der Erfindung sind für Messungen bei Reynoldszahlen größer als 10.000, insb. an Rohrleitungen mit Nennweiten größer als 200 mm, geeignet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
lamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät
- mit einem ersten Paar Ultraschallwandler (2, 3),
— von denen entweder jeweils der eine als Sendewandler und der andere als Empfangswandler bzw. umgekehrt betrieben ist — oder die beide kurzzeitig als Sendewandler und anschließend als Empfangswandler betrieben sind
— und die längs einer von dem zu messenden Fluid durchströmten Rohrleitung (1) auf deren Außenwand achsparallel versetzt und mit einem von 90° abweichenden Winkel zwischen der Richtung des von ihnen erzeugten Ultraschalls und der Achse der Rohrleitung angeordnet sind,
- mit einem zweiten Paar Ultraschallwandler (4, 5), von denen jeder gleichzeitig als Sendewandler oder als Empfangswandler betrieben ist und die längs der Rohrleitung (1) auf deren Außenwand achsparallel versetzt und mit -einem Winkel kleiner/gleich 90° zwischen der Richtung des von ihnen erzeugten Ultraschalls und der Achse der Rohrleitung angeordnet sind,
- und mit einer Treiber/Auswerte-Elektronik, die
— entweder einen bzw. die Ultraschallwandler
(2, 3) des ersten Paars mit einem Impuls-Burst speist und die Laufzeit von zwischen diesen Ultraschallwandlern in Vorwärts- und Rückwärts-
Flußrichtung durch das Fluid hindurch sich ausbreitenden und an der diesen Ultraschallwandlern gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignalen mißt und daraus den Volumendurchfluß bestimmt (= Laufzeit-
Elektronik) (11), — oder die Ultraschallwandler (4, 5) des zweiten Paars gleichzeitig mit dem Impuls-Burst speist und die aus innerhalb des Fluids an darin vorhandenen Fremdkörpern reflektierten und von diesen Ultraschallwandlern in den Pausen zwischen den Impuls-Bursts empfangenen Reflexionssignalen durch Korrelation deren Zeitdifferenz mißt sowie daraus den Volumendurchfluß bestimmt (= Korrelations-Elektronik) (12) und — die eine Umschalt-Elektronik (13) mit einem Schwellwertschalter (131) enthält, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des
Schwellwertschalters die Treiber/Auswerte- Elektronik in die Laufzeit- oder die Korrelations- Betriebsart schaltet und welchem Schwellwertschalter ein einstellbares
Schwellwert-Signal (th) und ein Schwankungssignal (rms) zugeführt sind, das aus einem in Empfangsbetrieb von einem der Ultraschallwandler (2, 3) des ersten Paars abgegebenen Signal nach dessen Integration gebildet ist.
2. Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem je ein Ultraschallwandler des ersten Paars und des zweiten Paars zu einem Paar von Verbund-Ultraschallwandlern (6, 7) vereinigt sind.
3. Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1 mit einem Clamp-on-Zusatz- Ultraschallwandler (8) und mit einer Zusatz-Elektronik (14), die
- jeweils senkrecht zur Achse der Rohrleitung (1) die Orthogonal-Laufzeit des Ultraschallsignals in der Wand der Rohrleitung und die Orthogonal-Laufzeit der durch das Fluid sich ausbreitenden und an der dem Zusatz-Ultraschallwandler (8) gegenüberliegenden Innenwand der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignals mißt,
— der ein dem Außenumfang der Rohrleitung (1) proportionales Umfangssignal (u) und ein der Schallgeschwindigkeit im Material der Rohrleitung proportionales Schallgeschwindigkeitssignal (c) zugeführt ist und
— die aus den beiden Orthogonal-Laufzeiten, aus dem Umfangssignal und dem Schallgeschwindigkeitssignal die Wandstärke (d) der Rohrleitung und die
Schallgeschwindigkeit im Fluid bestimmt.
4. Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem als Schwankungssignal (rms) das Ausgangssignal einer Effektivwert-Stufe dient.
5. Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem als Schwankungssignal (rms) das Ausgangssignal eines Gleichrichters dient.
6. Clamp-on-Ultraschall-Volumendurchfluß-Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem als Schwankungssignal (rms) das Ausgangssignal eines Spitze/Spitze-Detektors dient.
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